基于獨特碼檢測的載波相位模糊糾正方法

王　岳　熊蔚明

摘 要：在數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)的相干解調(diào)過程中，普遍存在著載波相位模糊問題。指出了差分相干解調(diào)與非相干解調(diào)方法的不足，進而針對QPSK,16QAM,16APSK調(diào)制方式，分析其相位模糊導(dǎo)致數(shù)據(jù)變化的情況，并給出了各自基于獨特碼檢測的相位模糊糾正方法。QPSK系統(tǒng)的仿真結(jié)果說明了獨特碼檢測方法在抗誤碼方面比DQPSK系統(tǒng)具有優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字相位調(diào)制；相干解調(diào)；相位模糊；獨特碼檢測

中圖分類號：TN911.3文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-062-03

Carrier Phase-ambiguity Correction Based on Unique-word Detection

WANG Yue1,2,XIONG Weiming1

(1.Center for Space Science and Applied Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100080,China；

2.Graduate University,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100080,China)

Abstract：In digital phase modulation system,there always exists carrier phase-ambiguity in the process of coherent demodulation.This paper shows the disadvantages of differential coherent demodulation and non-coherent demodulation,then analyses the ambiguity of phase which causes the change of data in QPSK,16QAM,16APSK modulation methods when phase-ambiguity occurred.One method based on unique-word detection is given to achieve phase-ambiguity correction.The simulation of QPSK system shows the advantage of unique-word detection method in error resilience compared with DQPSK system.

Keywords：digital phase modulation;coherent demodulation;phase-ambiguity;unique-word detection

0 引 言

在數(shù)字相位調(diào)制系統(tǒng)中，若接收端采用相干解調(diào)方式，則在恢復(fù)載波的過程中，可能出現(xiàn)相位模糊的問題［1］，從而導(dǎo)致解調(diào)后的數(shù)據(jù)比特位翻轉(zhuǎn)，降低系統(tǒng)的可靠性。一種廣泛采用的克服接收端相位模糊問題的解決方法是在發(fā)射端采用差分碼相位調(diào)制，從而在接收端可以使用差分檢測進行解調(diào)，而不必恢復(fù)載波，從而消除了相位模糊的影響。但在信噪比方面，差分編碼非相干解調(diào)相位調(diào)制系統(tǒng)比相干解調(diào)相位調(diào)制系統(tǒng)低大約2.3 dB［2］，從而降低了抗誤碼性能。另外，差分編碼相干解調(diào)系統(tǒng)存在誤碼擴散問題［1］。

獨特碼檢測技術(shù)在發(fā)送端的兩個相互正交支路中各加入事先已確定好的一組碼字。對于相干正交支路解調(diào)相位調(diào)制系統(tǒng)，相位模糊發(fā)生時接收端總共有8種可能的解調(diào)結(jié)果［3］(如表1所示)，而每一種解調(diào)結(jié)果惟一對應(yīng)一種相位模糊可能。

因此，在接收端通過比對解調(diào)后的相應(yīng)獨特碼位上的值和事先確定好的獨特碼之間的差別，從而可以惟一確定特定的相位誤差。一種解決方法是根據(jù)得到的對應(yīng)數(shù)據(jù)支路的數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)情況相應(yīng)地改變各路的輸出數(shù)據(jù)(通過控制選通門來使數(shù)據(jù)取反或不取反)，來消除相位模糊的影響；另一種解決方法是根據(jù)得到的相位誤差來修正本地恢復(fù)的載波，進而消除相位模糊的影響。

注：IT，QT表示發(fā)送端同向支路I和正交支路Q發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)；IR，QR表示接收端通過解調(diào)恢復(fù)的同向支路I和正交支路Q的二進制數(shù)據(jù)。符號前的負號表示取該符號的補碼。

1 相位模糊情況

1.1 QPSK系統(tǒng)［3］

QPSK解調(diào)要恢復(fù)載波，通常使用4次方環(huán)，costas環(huán)等非線性載波恢復(fù)方法，從而帶來了相位模糊，其相位模糊值可能為0°,90°,180°或270°(如表1所示)。不正確的本地載波對于解調(diào)后數(shù)據(jù)的影響如圖1所示。考慮支路翻轉(zhuǎn)是很有必要的［4］，圖1(a)顯示了通常情況，圖1(b)顯示了支路翻轉(zhuǎn)的情況，圖中的結(jié)果和表1的結(jié)果是相吻合的，載波相位為π/4,3π/4,5π/4和7π/4的QPSK系統(tǒng)情況類似。

1.2 16QAM,16APSK系統(tǒng)

對于16QAM和16APSK系統(tǒng)來講，采用相干正交支路解調(diào)方式進行解調(diào)時，其相位模糊情況同QPSK一樣，即為通常情況下的0°,90°,180°或270°四種相位模糊情況和支路翻轉(zhuǎn)情況下的0°,90°,180°或270°四種相位模糊情況，如表1所示。

2 相位模糊問題的解決辦法

2.1 QPSK系統(tǒng)［3］

要消除QPSK系統(tǒng)相位模糊的影響，可以在發(fā)送端每次連續(xù)發(fā)送I路數(shù)據(jù)塊和Q路數(shù)據(jù)塊的首部分別插入獨特碼Au和Bu，并且一定要確保Au和Bu之間的相關(guān)性足夠小，從而降低接收端由于信道誤碼造成獨特碼的誤識別問題。QPSK接收端檢測獨特碼的框圖如圖2所示，其中N代表所添加的獨特碼的長度。圖中對于I路和Q路都設(shè)置了兩個相關(guān)器，相關(guān)器只對數(shù)據(jù)塊首部的獨特碼位(Au和Bu)進行識別，其后的數(shù)據(jù)塊直接進行數(shù)據(jù)解碼，這樣不會產(chǎn)生由于數(shù)據(jù)中恰好包含和獨特碼相同的碼字而帶來的誤識別問題。每個相關(guān)器都應(yīng)當(dāng)只對其對應(yīng)的獨特碼及其反碼產(chǎn)生輸出，而對于其他碼字不產(chǎn)生輸出(如相關(guān)器AUI在存儲器中的獨特碼為Au時輸出正值，為u時輸出負值，為非Au和非u輸出零值)。

這樣，4個相關(guān)器的輸出結(jié)果能夠惟一確定當(dāng)前相位模糊的情況(結(jié)合表1)，各相關(guān)器的輸出與其對應(yīng)的相位模糊情況示于表2中。在明確了相位模糊屬于哪種狀態(tài)后，可以通過解碼器的輸出來直接校正輸出數(shù)據(jù)(取反或不取反)，也可以通過解碼器輸出來校正本地載波相位，從而消除了相位模糊帶來的影響。

2.2 16QAM系統(tǒng)

基于獨特碼檢測的16QAM發(fā)射機、接收機框圖如圖3所示。基于獨特碼檢測的16QAM星座點和碼字的對應(yīng)關(guān)系如圖4(a)所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)其為格雷編碼，相鄰信號星座點間的碼距最小(僅位1)，這就減少了因誤符號導(dǎo)致的誤碼個數(shù)，從而降低了系統(tǒng)的誤碼率。單獨考察b1和b2兩位(第3、4位)碼與星座點的關(guān)系，示于圖4(b)。從圖中可以看出每個象限的碼是相同的，所以b1,b2也稱為象限碼。通過選通門將獨特碼加入到象限碼的位置，16QAM相位模糊問題的解決方法就簡化成了上述的QPSK相位模糊的解決方法。具體方法如下，根據(jù)基于獨特碼檢測的16QAM信號星座點的特點，可以在發(fā)送端每次連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)進行2-4電平轉(zhuǎn)換前在同向和正交支路的數(shù)據(jù)塊首部分別插入碼字A和B。A的長度是2N，其中奇數(shù)位可由a1代表，偶數(shù)位用b2代表(它組成了同向支路的獨特碼Au)； B的長度也是2N，其中奇數(shù)位可由a2代表，偶數(shù)位用b1代表(它組成了正交支路的獨特碼Bu)。在接收端的4-2電平轉(zhuǎn)換后，依次將相應(yīng)獨特碼位上的b2b1(即Au和Bu)送入圖2所示的獨特碼檢測器中，根據(jù)表2的相關(guān)器輸出與相位模糊狀態(tài)對應(yīng)表確定當(dāng)前幀的相位模糊狀態(tài)，從而既可以通過數(shù)據(jù)解碼器消除相位模糊影響(各數(shù)據(jù)取反或不取反)，也可以通過直接修正本地載波相位來消除相位模糊的影響。另外，圖4(c)示出了a1a2位碼與星座點之間的關(guān)系，從圖中可以看出陰影部分的a1a2值對90°倍數(shù)的相位模糊是不敏感的，所以可以將碼字A和B中的a1a2設(shè)計成對相位不敏感的值(如設(shè)計為11)。這樣就可以在接收端利用這些位置的碼對每次連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)塊進行檢測和同步，而不必擔(dān)心相位模糊給數(shù)據(jù)檢測和同步帶來的影響。

2.3 16APSK系統(tǒng)

基于獨特碼檢測的16APSK發(fā)射機、接收機框圖同圖3所示，只是電平轉(zhuǎn)換規(guī)則不同。基于獨特碼檢測的16APSK星座點和碼字的對應(yīng)關(guān)系如圖5(a)所示(R1=0.414，R2=1.131)［5,6］，從圖中可以發(fā)現(xiàn)其為準格雷編碼，從而降低了系統(tǒng)的誤碼率。同16QAM系統(tǒng)一樣，16APSK系統(tǒng)也存在著象限碼b1b2(如圖5(b)所示)和對90°倍數(shù)相位模糊不敏感的某些a1a2值(如圖5(c)示)，所以可以使用和16QAM相同的基于獨特碼檢測的相位模糊解決辦法，從而實現(xiàn)相位模糊的消除和對發(fā)送數(shù)據(jù)的識別和同步。

3 仿真結(jié)果及分析

以QPSK系統(tǒng)為例進行計算機仿真實驗，仿真結(jié)果如圖6所示。圖中包含了通過AWGN信道的理想無相位模糊情況下QPSK系統(tǒng)的誤比特率，非相干解調(diào)DQPSK系統(tǒng)的誤比特率，相干解調(diào)DQPSK系統(tǒng)的誤比特率，基于獨特碼檢測QPSK系統(tǒng)的誤比特率。本實驗假設(shè)接收端能夠準確判斷每次發(fā)送數(shù)據(jù)的到來和進行數(shù)據(jù)同步。仿真采用100次數(shù)據(jù)傳輸，每次10 000 b的數(shù)據(jù)進行，獨特碼的長度設(shè)計為同向和正交支路各32 b［7］。從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于獨特碼檢測的QPSK系統(tǒng)既能有效克服相位模糊，并且這種方法較DQPSK系統(tǒng)的誤碼率更低，在較高信噪比的條件下十分接近理想無相位模糊QPSK系統(tǒng)的誤碼率。

在考慮實際問題時，一方面，短獨特碼雖然在傳輸中出現(xiàn)差錯的概率較小，但其不利于獨特碼的識別與兩正交支路間獨特碼的區(qū)分。另一方面，隨著獨特碼的加長，獨特碼的識別更加容易，但獨特碼的開銷加大，降低了系統(tǒng)的有效性，更為嚴重的是其在傳輸中出現(xiàn)差錯的概率也會相應(yīng)增加，導(dǎo)致一次數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯誤的概率也相應(yīng)增加。這要求對獨特碼進行抗誤碼編碼，或者在接收端獨特碼檢測器的各相關(guān)器中設(shè)定閾值(本仿真中閾值設(shè)定為0.8)，當(dāng)相關(guān)函數(shù)值大于指定閾值時，其相關(guān)器才進行相應(yīng)的輸出。從仿真結(jié)果可以看出相關(guān)函數(shù)閾值判決法可以有效減輕信道誤碼對相位模糊判決的影響，提高系統(tǒng)可靠性。

綜上所述，在解決實際問題時，要綜合考慮，結(jié)合計算機仿真和實際測試，在系統(tǒng)可靠性和有效性間求取最佳的折衷方案。

4 結(jié) 語

通過分析QPSK,16QAM,16APSK系統(tǒng)所存在相位模糊問題，并給出了各自基于獨特碼檢測的解決方法。從而實現(xiàn)了在不使用差分編碼調(diào)制的情況下，克服相位模糊，提高了通信系統(tǒng)的可靠性和有效性。

文中基于獨特碼檢測來解決相位模糊的方法不僅限于以上3種系統(tǒng)，還可以廣泛應(yīng)用于采用相干正交支路解調(diào)的其他相位調(diào)制通信系統(tǒng)(如64QAM等)。

參考文獻

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作者簡介 王 岳 男，1984年出生，天津市人，碩士研究生。主要從事衛(wèi)星通信方向的研究。

熊蔚明 男，1963年出生，北京市人，研究員。主要從事空間通信系統(tǒng)方向的研究。